FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 1

Transkript

1 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 1

2 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 2

3 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 3

4 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 4 ABSTRAKT Pro urychlení komunikace mezi výrobcem součástí (odlitků) a odběratelem je v dnešní době nezbytné zkrácení doby mezi poptávkou a předložením prototypové součásti. Úkolem bakalářské práce je vypracovat literární rešerši zaměřenou na současné metody rychlého prototypování (RP) používané ve světě ve spojitosti s výrobou prototypových odlitků. Klíčová slova rychlé prototypování, přesné lití, simultánní inženýrství ABSTRACT An overview of the most suitable RP technologies for making rapid casting prototypes is the target of this thesis. Key words rapid prototyping, investment casting, simultaneous engineering BIBLIOGRAFICKÁ CITACE NĚMEC, Jiří. Přehled moderních metod při výrobě prototypových odlitků. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, s. Vedoucí bakalářské práce: prof. Ing. Milan Horáček, CSc.

5 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 5 Prohlášení Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Přehled moderních metod při výrobě prototypových odlitků vypracoval samostatně s použitím odborné literatury a pramenů, uvedených na seznamu, který tvoří přílohu této práce. Datum Jiří Němec

6 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 6 Poděkování Děkuji tímto prof. Ing. Milanu Horáčkovi, CSc. za cenné připomínky a rady při vypracování této bakalářské práce. Dále chci poděkovat své rodině za podporu během celého studia.

7 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 7 Obsah Abstrakt... 4 Prohlášení... 5 Poděkování... 6 Obsah... 7 Úvod Technologie Rapid Prototyping Princip technologie Rapid Prototyping Preprocessing Processing Postprocessing Přehled technologií Rapid Prototyping SLS Selective laser sintering SLA Stereolithography FDM Fused deposition modeling LOM Laminated object manufacturing SGC Solid ground curing DP 3D printing MJM - Multi-Jet Modeling Technologie Rapid Prototyping ve slévárenství Technologie RP a pískové formy Lití do písku Přímá výroba pískových forem Technologie RP a metoda vytavitelného modelu DSPC Direct shell production casting Nepřímé metody výroby formy Porovnání časové náročnosti výrobních postupů Technologie RP a metoda vypařitelného modelu Technologie RP pro zhotovení trvalých forem LENS Laser engineered net shaping DMLS Direct metal laser sintering Metal spray tooling Závěr Seznam použitých zdrojů... 49

8 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 8 Úvod Cílem bakalářské práce je zhotovit přehled moderních metod při výrobě prototypových odlitků, které zkracují dobu od zadání požadavku zákazníka na určitý výrobek až po vyrobení prvního prototypového kusu. V co možná nejkratším čase, nejlepší kvalitě a ekonomicky nejvýhodněji. Touto problematikou se zabývá technologie Rapid Prototyping (RP), nebo-li rychlé prototypování, která v zásadě slouží k co nejrychlejší tvorbě prototypů a modelů (nástroje, prototypové formy, atd.). Tak jako další technologie i technologie RP má své klady a zápory. Mezi kladné vlastnosti bysme zahrnuli časovou úsporu a s tím i úsporu ekonomickou. Dále širokou nabídku typů technologií RP, které mohou být použity pro dané účely. Mezi záporné vlastnosti se u některých technologií řadí například struktura výsledného výrobku. Všechny klady i zápory si musí výrobce zvážit, než si některou technologii RP pořídí. RP technologie svým širokým záběrem použití také nabízí své uplatnění ve slévarenství. V dnešní době, kdy je vyvíjen tlak ny výrobce od zákazníku na zkracování dodacích lhůt a ekonomickou stránku se tato uplatňuje ve slévarnách. RP je možné použít jak pro výrobu matečného modelu nebo pro výrobu forem.

9 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 9 1. Technologie Rapid Prototyping (RP) Rapid Prototyping (RP) v zásadě slouží k co nejrychlejší tvorbě prototypů a modelů (nástroje, prototypové formy, atd.). Vyvíjí se již od osmdesátých let, kdy vznikla metoda stereolitografie. Nyní se tvorba modelů a prototypů (prezentačních i funkčních) směřuje především do oblasti výroby forem a nástrojů. Na významu nabývá také oblast koncepčního konstruování, kdy se ověřují definované vlastnosti budoucího výrobku. Ve specifických případech se modely vybudované pomocí RP vvyužívají k simulacím nebo různým typům zkoušek (obtékání, namáhání, atd.). [1] Velké úsilí je věnováno zdokonalení softwarových i hardwarových technologií, které by umožnili provádět celý vývojový proces výrobku na digitálním modelu přímo v CAD systému (vizualizace, rendrování, virtuální realita, MKP, dynamické analýzy,...). Ukazuje se ovšem, že potřebou současných designérů a konstruktérů je pracovat spíše s modelem fyzickým, u kterého se dá snadněji měnit design, odstraňovat případné chyby, kontrolovat smontovatelnost, opravitelnost, ergonomie nebo provádět funkční zkoušky. Všechny tyto výhody fyzického modelu mají ve finále za následek zrychlení celého procesu vývoje výrobku. Výroba modelů a prototypů klasickými technologiemi je ale velmi náročná a zdlouhavá. Jako nejvhodnější cesta splňující většinu požadavků konstruktéra se jeví RP, což je technologie rychlá a umožňuje přímou vazbu na vývojové prostředí, tedy na CAD/CAM systém. [1] Přednosti metod RP se využijí nejen v automobilovém, leteckém a elektrotechnickém průmyslu ale i ve výrobě spotřebního zboží. Ve všech oblastech se docílilo zkrácení vývojových časů, snížení nákladů a zvýšení kvality výrobku. Nejlepší výsledky v ušetřeném čase dosahují metody RP při aplikaci ve vývoji celých montážních skupin. [1] V kombinaci s metodami přesného lití kovů poskytují metody RP možnost rychlejší a levnější výroby kovových funkčních modelů a prototypů. [1] Obr.1 Přehled výrobků pomocí RP [6]

10 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List Princip technologie Rapid Prototyping Rapid Prototyping RP je progresivní skupina technologií, která vytváří fyzické modely, prototypy a komponenty nástrojů přímo na základě 3D dat. Tato 3D data vznikají často v 3D programových systémech CAD, určených pro konstrukční a návrhové procesy. Pro technologii RP je specifické, že se fyzický model vytváří postupně po jednotlivých vrstvách materiálu. Jednotlivé vrstvy jsou postupně přidávány již k dříve vytvořeným. Na rozdíl od klasických metod obrábění, kdy je materiál postupně odebírán z výchozího polotovaru, je materiál při metodách RP postupně přidáván. Metody RP se především odlišují rozdílným fyzikálním principem při tvorbě jednotlivých vrstev. [2] Postup při RP bývá často dělen do třech základních etap zpracování, označovaných jako preprocessing, processing a postprocessing. Tento způsob členění je velmi blízký například postupu při výpočtových analýzách metodou konečných prvků nebo při postupech zpracování dat pro NC stroje. Stejně jako při uvedených technologiích jde tedy o přípravu dat, vlastní zpracování a zhodnocení výsledků. [2] V případě RP rozumíme preprocessingem přípravu 3D dat pro stavbu dílu, processingem vlastní stavbu dílu metodami RP a postprocessingem další operace (odstranění podpor, povrchová úprava, barvení, vyztužení atd.), které zhodnocují vytvořený model pro použití v dalších oblastech.[2] Obr. 2 Postup tvorby modelu RP [3] Obr. 3 Průběh procesu RP [4]

11 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List Preprocessing Do etapy preprocessing řadíme všechny kroky, které souvisí s přípravou dat pro systémy RP. Patří sem například transformace dat ze systémů CAD do formátu STL, při které dochází i k náhradě geometrického tvaru souborem rovinných plošek. V závislosti na tvaru je CAD geometrie nahrazena se zadanou přesností nezbytným počtem rovinných trojúhelníkových plošek. Pro systémy RP je nezbytné, aby tato síť rovinných plošek dokonale uzavírala objem součásti. [2] Jak již bylo uvedeno, tvar součásti je tvořen postupně po tenkých vrstvách (0,2-0.05mm). Proto je nezbytné zabezpečit tzv. podpůrnou konstrukci vrstev pro geometrické tvary, kde vrstvy nejsou samonosné a mohlo byt dojít k jejich zborcení nebo deformaci. Tvorba podpůrné konstrukce však není nutná pro všechny metody RP. [2] Dalším krokem v procesu RP je generace tenkých řezů, které jsou základem pro tvorbu modelu metodami RP. STL data modelu a případných podpor jsou podrobena horizontálním rovinným řezům, které definují 2D obrysovou geometrii a jsou základním geometrickým vstupem pro systémy RP. Na vhodnou tvorbu řezu má vliv i orientace součásti. Vhodnou orientací součásti je možno někdy nejen potlačit schodečkovou strukturu součásti, ale i minimalizovat objem nezbytný pro tvorbu podpůrné konstrukce, což má samozřejmě i vliv na celkový čas stavby modelu. [2] Obr. 4 Importování součásti do formátu STL [5]

12 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List Processing Po generaci 2D řezů, popisujících libovolnou 3D geometrii, nastává vlastní processing tzn. stavba modelu po jednotlivých vrstvách. Stavba těchto vrstev je velmi úzce spojena s konkrétním fyzikálním principem jednotlivých metod RP. [2] Obr.5 3D tiskárna Dimension SST [4]

13 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List Postprocessing Po vytvoření modelu v systémech RP následuje skupina kroků, které jsme označili jako postprocessing. [2] Prvním úkolem je součást ze zařízení vyjmout. U některých metod je nutno vyčkat i delší čas, než je možno prostor vyráběné součásti zpřístupnit obsluze zařízení. Pokud je prostor součásti obklopen okolním materiálem je nutno materiál odstranit. V závislosti na druhu metody se materiál nejčastěji odsává (práškový materiál) nebo se odstraní oplachem (např. fotopolymer). U některých metod je zhotovený díl křehký a vyžaduje další následné zpracování jako např. vytvrzení dílu uv zářením nebo napuštění dílů další látkou, která zvýší jeho pevnost. [2] Dalším krokem je odstranění podpor, který však není u některých metod potřebný. Odstranění podpor se děje mechanicky nebo probíhá například rozpuštěním podpor v tekuté lázni nebo jejich vytavením. [2] A konečně posledním krokem je povrchová úprava RP modelu. Schodečková struktura součásti a oblasti podpor mohou být mechanicky upraveny speciálními postupy - tmelením, finišováním. Některé materiály mohou být následně standardně obrobeny, barveny, lakovány nebo galvanicky pokoveny. [2]

14 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List Přehled technologií Rapid Prototyping Techlonogií RP je na trhu velký výběr. Některé technologie jsou založeny na stejném principu a postupu a liší se jen v několika maličkostech. Jiné technologie jsou oproti ostatním úplně odlišné a jedinečné, ať už svým postupem či určením použití. V této práci si představíme několik nejvýznamnějších technologií RP, které jsou známé a používáné pro slévárenství SLS Selective laser sintering Metoda SLS byla vyvinuta na Texaské univerzitě v Autinu Carlem Deckardem. Technologie byla patentována v roce 1989 a původně prodávána společností DTM. V roce 2001 byla společnost DTM koupena společností 3D Systems. [7] Na rozdíl od stereolitografie jsou modely vyrobené novější metodou SLS velmi pevné. SLS je technologie, při které je laserovým paprskem spékán do určitého tvaru slévárenský písek, plastový nebo kovový prášek. Přídavný materiál je nanášený na nosnou desku v inertní atmosféře po vrstvách. Podle vypočtených souřadnic bodů rovin řezů je řízená XY skenovací hlava, která vede laserový paprsek nad povrchem prášku, který je nasypaný v prostoru pracovní komory. V místě působení laseru se přídavný materiál buď zapeče nebo roztaví. Okolní neosvětlený materiál slouží jako nosná konstrukce. Výroba součásti probíhá po vrstvách, po vytvoření jedné vrstvy se nosná deska sníží o hodnotu odpovídající hloubce vrstvy.[8] Obr.6 Popis metody Sintrace laserem (SLS) [7]

15 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 15 Na rozdíl od jiných metod můžeme využívat široké spektrum materiálů. Principielně je možné použít jakýkoliv prášek, který se působením tepla taví nebo měkne. V současnosti se v komerčních oblastech používají např. termoplastické materiály jako jsou polyamid, polyamid plněný skelnými vlákny, polycarbonát, polystyrén dále speciální nízkotavitelné slitiny z niklových bronzů nebo polymerem povlakovaný ocelový prášek. Většinou však ale není možno přecházet na stejném zařízení od jednoho materiálu k druhému, neboť jejich vytvrzení si vyžaduje výrazně odlišné podmínky. Podle druhu použitého modelovacího materiálu je možno v rámci této technologie rozlišovat metody: [8] Selective laser sintering - Plast Selective laser sintering - Kov Selective laser sintering Slévárenský písek Selective laser sintering - Keramika Selective laser sintering - Plast U Selective laser sintering - Plastu je, stejně jako například u metody FDM, možno volit z několika druhů plastických materiálů, které svými vlastnostmi určují i způsob využití hotového modelu. Při použití polystyrenu je možné použít výsledný model ve standardní metodě lití do ztraceného vosku, přičemž je možno snadno modelovat i velmi komplikované části výrobku. Při použití nylonu dosahují výsledné modely vynikající mechanické vlastnosti jako tvrdost, houževnatost, teplotní odolnost atd. Tyto modely jsou proto vhodné pro funkční zkoušky nebo testy lícování. Standardním využitím všech modelů je prostorová vizualizace navrhovaného výrobku. [8] Selective laser sintering - Kov Modely vzniklé metodou Selective laser sintering - Kovu dosahují dostatečné pevnosti a mechanické odolnosti, takže je možno je využít především jako formy pro výrobu plastových součástek vstřikováním nebo lisováním.[8] Selective laser sintering slévárenský písek Jednou z nejnovějších technologií rapid prototypingu je Selective laser sintering slévárenského písku. Tato metoda používá upravený slévárenský písek, jehož vytvrzováním je možno bez jakýchkoli mezikroků vytvořit na prototypovacím zařízení klasickou pískovou formu pro lití.[8] Selective laser sintering - Keramika Výchozím materiálem je v tomto případě prášek slepovaný pomocí tekutého pojiva. Nanášení pojiva je zajištěno pomocí Ink-Jet tryskové hlavy, která je vedená v rovině XY podle předem vypočítaných řídících údajů. Pomocí této metody se dají vyrábět různé součástky z keramického prášku nebo formy a jádra pro technologii přesného lití.[8]

16 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 16 Výhody metody SLS: [10] je možnost použít šikokou nabídku materiálů: polykarbonát, PVC, nylon, písek pro stavbu jader, vosk pro přesné lití a mnoho dalších materiálů vyrobené součásti nepotřebují následný postprocesing(čištění, ), kromě keramického materiálu výroba z prášku po finální součást je běžně otázka jednoho dne není zde nutnost tvorby podpor Nevýhody metody SLS: [10] při tuhnutí prášku se na okrajíc může trocha přebytečného prášku přitavit, což má za následek drsnější povrch součásti důležitost zajištění pracovní komory stálé přítomnosti dusíku pro zabezpečení dobré sintrace materiálu (kromě zařízení společnosti EOS) tvorba toxických plynů během procesu (obzvláště při práci s materiálem PVC) typické SLS součásti mají drsný a porézní povrch [11] detaily nejsou tak ostré a dokonalé jako u metody SLA [11] Materiály: Ceramics 5.2 Tento materiál je fenolovou pryskyřicí - silikátového písku potaženého hliníkem (syntetický mullit). Materiál je vhodný pro výrobu složitých pískových jáder a pískových forem pro všechny licí aplikace. Vzhledem k vysoké tepelné kapacitě a nízké teplotě roztažnosti je tento keramický písek vhodný k používání především pro vysoké teploty lití.[12] Quartz 4,2 / 5,7 Quartz Tyto materiály jsou fenoltické pryskyřice potažená křemenného písku. Materiál je vhodný pro výrobu složitých pískových jáder a pískových forem pro všechny licí aplikace. [12]

17 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List SLA Stereolithography Stereolitografie je považována za průkopníka mezi technologiemi rychlého prototypování. První komerční systém metody stereolitografie byl uveden na trh v roce 1988 společností 3D Systems.[14] Stereolitografie je nejpřesnějšší a nejvšestranější technologie rychlého prototypování. Její velkou předností je také kromě přesnosti, schopnost tvorby velmi jemných detailů.[15] Metoda stereolitografie je založena na vytvrzování tekutého fotopolymeru, který je osvětlován ultrafialovým laserem. Tato metoda je vhodná pro koncepční návrhy, tvarové a funkční zkoušky, tvorbu modelů pro slévárenství a další.[16] Jednou z hlavních částí zařízení pro Stereolitografii je vana, která je naplněna citlivým fotopolymerem. Na počátku celého procesu je těsně pod hladinou (o tloušťce jedné vrstvy) ponořena plošina, která postupně po zhotovení jednotlivých vrstev vertikálně klesá. Laserový paprsek, který je usměrňován přes soustavu zrcátek, řízených servo pohony, dopadá na hladinu polymeru, kde se účinkem uv záření materiál polymeru vytvrzuje. Laser nejprve objede geometrii 2D kontury (převzaté např. z 3D CAD modelu) a potom postupně šrafuje krok za krokem vnitřní prostor 2D kontury, zvoleným šrafovacím vzorem. Další senzor hlídá hladinu polymeru, kterou je možno v případě potřeby kompenzovat (důsledek objemového smrštění). Po takto vytvrzené vrstvě plošina klesne a proces se opakuje. Část postprocessingu je u SLA metody doprovázen několika kroky. Nejprve je nutno uvolnit tekutý polymer z vnitřních částí modelů zpět do vany a model vyjmout. Následuje proces čištění, mytí a následného vytvrzení v přídavném zařízení. Po těchto krocích je možno přistoupit k oddělení podpor a dodatečné povrchové úpravě.[2] Obr. 7 Popis metody Stereolitografie [17]

18 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 18 Aplikace metody Stereolitografie: Oproti jiným technologiím je možno stereolitografií vytvářet modely s milimetrovými otvory a miniaturními prvky. Stejně jako u většiny ostatních technologií je možno modely vyrobené stereolitografií použít pro vizuální kontrolu návrhu výrobku, v některých případech i k funkčním zkouškám a díky široké paletě materiálů i jako forem pro vstřikování a lití. [18] Výhody metody Stereolitografie: [19] produktivita součíst může být vyrobena v krátké době (hodiny/dny) bezobslužný proces není nutná přítomnost pracovníka přesnost spolehlivost tyto zažízení jsou velmi spolehlivé flexibilita možnost tvorby více součásti najednou (závisí na velikosti základní desky) tvorba malého množství odpadu konečný povrch a vzhled jsou velmi kvalitní pevnost součásti vhodnost pro funční testování a analýzy Nevýhody metody Stereolitografie: [19] praskání pokud je navrtána součást změna rozměrů v důsledku pohlcování vlhkosti nutnost tvorby podpod a jejich následného odstranění čištění součástí (post-processing) nutnost vytvrzení součásti dlouhý čas tvorby součásti záleží na složitosti a velikosti Materiály: RenShape SL 7560 [16] SL 7560 je odolný SLA materiál, který napodobuje ABS a poskytuje skvělou kombinaci provides good combination of životnosti a stability. Skvělé pro RTV vzory a funkční součásti. Výborný povrch bočních stěn, jemné detaily a dobrá teplotní stálost. RenShape SL 5510 [16] SL 5510 je víceúčelový materiál určený převážně pro aplikace, kde je vyžadována velmi dobrá přesnost. Schopnost odolnosti vůči pohlcování vlhkosti je během transportu a skladování zaručena. Vhodný pro funkční a pevnostní testování. Vhodné pro modely pro odlitky a pro postup QuickCast pro přesné lití.

19 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 19 DSM Somos WaterShed [21] Tento fotopolymer s nízkou viskozitou poskytuje pevnost, tuhost, odolnost vůči vodě, stejně jako ABS části. Části vytvořené pomocí WaterShed XC jsou skoro bezbarvé a vypadají velmi věrohodně. WaterShed XC nabízí mnoho vlastností, které napodobují tradiční techniky plastů, včetně ABS a PBT. Tento materiál je ideální pro mnoho aplikací v oblasti automobilového průmyslu, zdravotnické a spotřebitelské aplikací zahrnují čočky, balení, průtok vody analýza, RTV modely, trvanlivé koncepční modely, testování v aerodynamickém tunelu a v neposlesní řadě pro rychlé lití modelů ve slévarenství. Accura SL Materials Společnost 3D Systems nabízí širokou nabídku materiálu pro technologii Stereolitografie. V níž je nabízeno mnoho materiálů s různými vlastnosti, požadovaným pro určité účely. Metoda Stereolitografie poskytuje souhrn optimálních požadovaných vlastností, jako jsou rychlost, přesnost a jakost povrchu. [20]

20 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List FDM Fused deposition modeling Fused deposition modeling je pravděpodobně nejpoužívanější technologií rychlého prototypování po Stereolitografii. Tato technologie byla poprvé vyvinuta v roce 1988, patentována v roce 1992 a také v tomto roce komerčně nabízena jako FDM TM společností Stratasys, Inc.[23] FDM je metoda, která vytlačuje skrze trysku tenké roztavené vlákno a tento natavený materiál spojuje vrstvu po vrtsvě do požadované podoby 3D modelu.[24] Materiál na tvorbu modelu je obvykle dodáván v nekonečně dlouhém vláknu namotaném na cívce, ovšem některé zařízení umožňují dodávat materiál formou granulí přímo ze zásobníku násypkou do trysky namísto vlákna na cívce. V trysce jsou ohrívače pro roztavení dodávaného materiálu, které materiál udržují při trochu vyšší teplotě, než je jejich teplota tavení tak, aby materiál lehce vytékal z trysky. Vytékající materiál se po natavení na vrstvu okamžitě tuhne. Jakmile je jedna vrstva hotová, tak se základní deska posune o tloušťku vrstvy dolů a tryska může vytvářet další vrstvu. Tloušťka vrstev a rozměrová přesnost je dána průměrem otvoru trysky, která se pohybuje v rozmezí od 0,013 do 0,005 palců.[25] Společnost Stratasys, Inc. doplnila dosavadní jednu trysku pro stavěcí materiál o druhou trysku, která je určena pro tvorbu podpůrných části v modelu, z jinšího typu materiálu. Tento podpůrný materiál po dokončení modelu, lze snadno odstranit. Toto vylepšení umožňuje tvorbu mnohem složitějších modelů vyrobených touto technologií. [26] Obr. 8 Popis technologie FDM [25]

21 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 21 Aplikace metody FDM: Modely pro koncepce a prezentace. Modely mohou být popsány, natřeny a upraveny téměř jako konečný výrobek.[27] Prototypy pro design, analýzy a testování funkcí. Tato technologie je schopna vytvořit z ABS plně funkční prototyp.[27] - Modely pro odlitky. Model může být použit pro modely přesného lití, lití do pískových forem. [27] Výhody metody FDM: rychlá a levná výroba modelu [26] nehrozí nebezpečí od chemikálii a laseru [26] materiál lze rychle vyměnit [26] bez tvorby odpadu, snazší údržba [26] modely se vyznačují tuhostí, odolností vůči teplotě, chemikáliím a vodě [28] rozměrová stabilita modelu [28] ekonomicky nejefektivnější řešení pro malé až středně velké modely vyrobené v co nejkratším čase [28] Nevýhody metody FDM: přesnost závisí na průměru trysky [26] nevhodná metoda pro velké modely (časově náročný proces) [28] nutnost stálosti teploty v ohřivači u trysky [28] Materiály: Několik materiálů je k dispozici avšak s kompromisy mezi pevností a teplotnými vlastnostmi. Používá se hlavně polymer ABS dále lze použít polykarbonáty, polyfenylsulfan a vosky. Tyto materiály jsou dodávány v mnoha barevných variantách. "Vodou rozpustný" materiál může být použit pro zhotovení provizorních podpor, při výrobě modelu. Tento materiál je uváděn na trh pod názvem WaterWorks od společnosti Stratasys,Inc, jedná se o rozpustný podpůrný materiál, který se rychle rozpustí ve specializovaném mechanickém míchácím zařízení využívající vyhřívaný roztok hydroxidu sodného. [29]

22 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List LOM Laminated object manufacturing Metoda Laminated object manufacturing byla vynalezena společností Helisys. První komerční využití této metody bylo v roce [30] Oproti jiným metodám RP, které pracují relativně pomalu, je pro rychlé zhotovení prototypu vhodná technologie LOM.[31] Součást je vytvářena ze speciálních plastových fólií nebo z mnoha vrstev papíru napuštěných zpevňující hmotou. Jednotlivé vrstvy jsou oříznuty do správného tvaru CO2 laserem. Součástka je vytvářená na svisle se pohybující nosné desce. Celý proces probíhá tak, že se na nanesenou a vyřezanou vrstvu natáhne papírová fólie opatřená vrstvou polyetylenu. Ta se poté přitlačí soustavou vyhřívaných válců, čímž dojde ke slepení obou vrstev. Paprskem laseru je vyřezán požadovaný obrys vytvářené vrstvy. Přebytečná odřezaná fólie je laserem rozdělena na čtverce a odstraněna. Po vytvoření vrstvy se podložka sníží o tloušťku fólie a postup se opakuje až do vytvoření celé součásti. [32] Obr. 9 Princip metody LOM [30]

23 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 23 Obr. 10 Možnosti použití postupu LOM pro přesné lití v závislosti na požadovaném počtu odlitků [34] Obr. 11 Možnosti použití postupu LOM při odlévání do pískové formy v závislosti na počtu a účelu použití požadovaných odlitků [34]

24 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 24 Výhody metody LOM [33],[34]: - metoda je velmi jednoduchá - vhodné pro objemově velké součásti - není potřeba podpor - velmi dobrá obrobitelnost - žádné smrštění - velká stabilita dílů - materiál podobný dřevu, které je typické pro výrobu modelů Nevýhody metody LOM [33],[34]: papírové části pohlcují vlhkost software není příliš kompatibilní s operačním prostředím Windows relativně vysoká potřeba dokončovacích prací (vytloukání, broušení, nátěry a tmelení) nebezpečí bobtnání ve směru laminace (lepení) nehomogenita vlastností materiálu v závislosti na směru laminování

25 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List SGC Solid ground curing SGC metoda byla vyvinuta izraelskou společností Cubital v roce [35] Je to metoda vytvářející z jednotlivých vrstev modelu masky, přes které se ultrafialovým světlem vytvrzuje fotocitlivý polymer. [36] Maska je nejčastěji tvořena skleněnou destičkou, na které je vyznačený tvar vytvářené vrstvy. Celá vrstva se v tomto případě vytváří naráz. Vytváření tělesa tedy probíhá ve dvou oddělených současně probíhajících cyklech. Nejdříve je vytvořena negativní maska a potom dojde k osvícení fotopolymeru. Osvícený fotopolymer ztvrdne, neosvětlený tekutý fotopolymer je odsáván a vzniklý meziprostor se vyplní voskem. V dalším kroku je povrch vytvořené vrstvy opracovaný na požadovanou výšku vrstvy a tím je připravený na nanesení další tenké vrstvy tekutého fotopolymeru. Vosková výplň zůstane ve vytvářeném tělese až do konce procesu vytváření, potom je chemickou cestou (pomocí kyseliny citrónové) odstraněna. [36] Obr. 12 Princip metody SGC [36] Aplikace metody SGC se dají rozdělit do čtyř oblastí [35]: a) obecné aplikace funkční analýzy, marketinkové prezentace, koncepční designové prezentace b) slévárenské aplikace přesné lití (investment casting), lití do písku (sand casting) c) formy a nástroje silicon rubber tooling, epoxy tooling, spray metal tooling, plaster mold casting d) lékařství chirurgie, protetika, atd. Výhody metody SGC: vysoce výkonné zařízení vysoká konstrukční pevnost a stabilita, přesnost, minimalní smršťování není potřeba podpod je možné vyrábět více částí najednou

26 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 26 Nevýhody metody SGC: vosk se tězko dostává z rohů a štěrbin u složitějších výrobků v porovnání s jinými systémy zabírá nejvíce místa velké monožství odpadu pryskyřice a vosku hlučnost zařízení

27 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List DP 3D printing Trojrozměrný tisk je proces, který byl vynalezen na Massachusetts Institute of Technology (MIT) pro rychlou a flexibilní výrobu prototypových dílů, konečné použití dílů a nástrojů přímo z modelu CAD. Trojrozměrný tisk má bezprecedentní flexibilitu. Díky této metodě můžeme vytvořit části každé geometrie, a z jakéhokoliv materiálu, včetně keramiky, kovů, polymerů a kompozitů.[38] Tato metoda velmi připomíná proces SLS, ale na rozdíl od ní se laserová hlava nahradí inkjetovou hlavou. Popišme si stručně, jak tato metoda pracuje. Proces probíhá v komoře válcovitého tvaru s pohyblivým pístem. V tenké vrstvě je ze zásobníku na základnu rovnoměrně nanášen práškový materiál. Rotující válec nanáší tenkou vrstvu práškového materiálu a pohybuje se v prostoru mezi dvěma kazetami. Inkjetová hlava, která se pohybuje rastrovým způsobem v rovině xy, vystřikuje pojivo na vybranou oblast jedné vrstvy práškového materiálu. Toto pojivo pak spojuje částice práškového materiálu a vytváří tuhou hmotu jedné vrstvy. Když je vrstva dokončena, posune se válec o tloušťku jedné vrstvy. Po zhotovení modelu se válec vysune a okolní zbylý materiál se odstraní od modelu zelené barvy. Model je následně napuštěn tvrdidlem pro zvýšení jeho pevnosti před dalším užitím.[2] MIT poskytl (postoupil) licenci na 3DP proces několika firmám, které ji užívají v různých aplikačních oblastech.[2] Obr.13 Popis metody 3D tisku [39] Metoda 3D tisku vedla v oblasti Rychlého prototypování v vytváření funkčních dílů a nástrojů přímo z CAD modelu. Byla to první metoda umožňující výrobu keramických dílů, která propagovala přímou výrobu keramických forem pro lití. Metoda 3D tisku byla vedoucím hráčem při přímé tvorbě kovových dílů a jejich využívání při lití. Tato metoda 3D tisku demonstrovala stoupající možnosti použití různých materiálů v technologii RP. [38]

28 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 28 Výhody metody 3D tisku: [40] ekonomicky efektivní řešení pro malé a středně velké části dodávané v co nejkratší lhůtě ideální pro všeobecné použití součástí vystavených vlivům vody, teploty a mnoha chemických látek vysoký stupeň povrchové úpravy lze dosáhnout pískováním a dalšími metodami postprocesingu možnost tvorby barevných součástí Nevýhody metody 3D tisku: [40] nevhodné pro testování funkčnosti součástí povrch je po vytvoření žebrovaný a drsný pomalý proces pro tvorbu objemných součástí Obr. 14 Součást vyrobená metodou 3D tisku [41] Materiály: zp 131 zp 131 je víceúčelový materiál, vyznačuje se tuhostí součástí a jejich skvělým rozlišením a přesností barev. Je vhodný pro funkční a tvarové testování. [42] zp 14 Modely vyrobené z tohoto materiálu mohou být napuštěny voskem a použity při vytavitelném lití. Je složen z celulózy, speciálních vláken a dalších přísad v kombinaci zajišťující přesnost součásti zatímco maximálně vstřebá vosk s minimálními zbytky při vytavení modelu. [42] Elastomery Elastomery jsou optimální pro tvorbu pružných modelů. Materiál je složen ze směsi celulózy, speciálních vláken a ostatních přísad schopných absorbovat elastomer a dávající součáti přužné vlastnosti. [42]

29 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List MJM - Multi-Jet Modeling Několik prvních let v průmyslu převažovaly postupy RP na bázi laseru (stereolitografie a selective laser sintering), avšak později se objevila nová generace strojů na bázi tisku. Trojrozměrné systémy zavedly postup modelování Multijet (MJM), kterým se vyrábějí voskové modely tiskem roztavených kapek. Poslední verze stroje Thermojet má 350 tiskových trysek a může rychle vyrábět součásti až do rozměrů 250x190x200 mm (X, Y, Z). Jedním ze základních problémů u běžného postupu MJM je odstraňování výztužného materiálu. Po vyztužení spodních ploch součástí se tisknou štětinovité trsy materiálu (obr.15), které se špatně odstraňují (lámou se a ulpívají na povrchu součástí) a navíc zanechávají drsný kráterovitý povrch. Bez ohledu na tyto nevýhody je postup MJM jedním z mála postupů RP, na který tradiční slévárny přesného lití přecházejí z důvodu nízkých investičních nákladů a poměrně vysoké rychlosti výroby.[43] Obr. 15 Výztužný materál na výrobcích vyráběných na MJM strojích [43] Jedno z možných řešení problému vyztužení tištěných voskových modelů vynalezla americká společnost Solidscape (dříve Sanders Inc.). Firma Solidscape tiskne dva materiály, vodorozpustný výztužný vosk a běžný vosk (obr. 16). Obr. 16: Výrobek firmy Solidscape (zelený) v červeném výztužném vosku [43] Vyrobená součást se umístí do čistícího zařízení, kde výztužný vosk vyteče z hotového modelu. Součásti lze vyrobit s použitím velmi tenkých vrstev (15 mikronů), které ve skutečnosti nezanechávají žádné stopy po původních vrstvách (stupňovistost) na výrobcích. Dřívější stroje byly bohužel málo spolehlivé a vzhledem k tomu, že se používaly pouze dvě tiskové trysky (jedna pro konstrukční materiál a druhá pro

30 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 30 materiál výztužný), byly mimořádně pomalé. Ačkoliv jsou nyní k dispozici novější velké stroje, jejich výrobní rychlost je stále ještě zlomkem té, kterou vykazují stroje MJM. Přesto firma Solidscape vyrábí jediný stroj RP, který skutečnš zavedl primární trh v oblasti přesného lití, i když pro výrobu velmi malých složených modelů, především pro klenotnický průmysl. Je velká škoda, že firmy Solidscape a 3D Systems nespojily svůj potenciál k výrobě dokonalého stroje na výrobu voskových modelů s kombinací výhod vodorozpustného výztužného materiálu a rychlosti postupu MJM. [43]

31 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List Technologie Rapid Prototyping ve slévárenství Použití RP v oblasti slévárenství je soustředěno především na tvorbu modelů a jader, která jsou pak použita klasickou cestou pro různé technologie lití. Pomocí některých metod RP, založených na sinteringu, je dnes možné vytvořit celou kompletní formu, připravenou pro proces lití. [2] Technologie RP, které byly představeny v předešlé kapitole jsou využívány především pro tvorbu modelů, ovšem používají se i jako mezikrok pro tvorbu forem na odlitky. Metody RP používané pro tvorbu forem se dají rozdělit na dva výrobní směry, kterými jsou buď přímá výroba forem na odlitky a nebo směr druhý nepřímá výroba forem na odlitky. A) Přímá metoda výroby forem Formy jsou vyráběny přímo pomocí některé z metod RP. Nabízí se velmi rozsáhlá škála metod RP pro tuto formu výroby. Vyrobené formy jsou schopny ve většině případů být k dispozici pro odlévání. B) Nepřímá metoda výroby formy Při tomto druhu výroby forem je prvním krokem tvorba modelu pomocí některé z metod RP v předešlé kapitole. Následně se již může vyrábět forma. Obr. 17 Schéma výroby formy pro lití do písku [52]

32 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 32 Obr. 18 Schéma výroby forem pro přesné lití [52] 2.1 Pískové formy Pískové formy lze zhotovit také přímým nebo nepřímým postupem. Nejprve si představíme postup nepřímý, a to lití do písku. Dále se seznámíme s přímou výrobou pískové formy Lití do písku V oblasti lití do písku je použito metod RP pro výrobu jednotlivých dílů formy pomocí RP modelu. RP model je rozdělen v dělící rovině na dvě poloviny, kdy každá polovina modelu slouží k vytvoření jedné poloviny pískové formy. Rovněž je možné aplikovat RP metody pro zhotovení pískových jader, kde je možnost aplikovat RP metody pro konstrukci forem jaderníků. Je však třeba vzít do úvahu, že např. některé formy, zvláště určené pro letecký průmysl, mohou mít až 20 vnitřních jader. Vyrobit takovou formu klasickým způsobem je velmi časově náročné. Pomocí metod RP je při stavbě jader a dalších tvarových dílů možné čas snížit až o 50%. Nehledě k tomu, že při opravě nebo modifikaci máme k dispozici CAD data, které mohou být snadno opravena a proces se může opakovat. Opět je k dispozici řada materiálů, z kterých je možno vyrobit jednotlivé tvarové díly RP modelů. Např. FDM používá univerzální ABS materiál, LOM papír, SL epoxidové polymery pro přesné pískové lití a další. [2]

33 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 33 Obr.19 Schéma technologie lití do písku [2] Přímá výroba pískových forem Dalším nový přístupem je použití metod RP k přímému zhotovení pískových jader a forem. Tyto metody znamenají opravdu revoluční převrat ve výrobě forem pro pískové lití. Jedním z představitelů této technologie je německá firma EOS. Jejich největší RP systém EOSINT S 750, pracující na základě sinteringu, umožňuje tvorbu kompletních pískových forem až do velikosti 720x380x380 mm. Nejsou vyžadovány žádné modely a jádra, neboť i extrémně složité formy jsou založeny na výrobě po vrstvách. To znamená, že konstrukce formy se velmi zjednoduší především v jejím konečném procesu montáže. EOSINT používá několik licích písků, které mají podobné vlastnosti jako řada písků standardně používaných. Tyto písky jsou vhodné pro pozdější zpracování např. hliníku a oceli. Jak již bylo řečeno, EOSINT pracuje na bázi spékání písku, a to postupně jednu vrstvu po druhé. Tímto způsobem je samozřejmě možné vytvářet podřezané a vnitřně zakřivené tvary, které bychom pomocí konvenčních metod nikdy nevytvořili. Zařízení pro zhotovení pískových forem rovněž nabízí firma ProMetal RCT (Německo), která distribuuje zařízení S-15 umožňující zhotovit pískové formy až do velikosti 1500x750x700 mm. [2]

34 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 34 ProMetal Technologie ProMetal 3D Printing je založena na selektivním vrstveném inkoustovém tisku třírozměrných předmětů z ultrajemných kovových, keramických, cermetových a kompozitních prášků o d50 pod 10 µm či submikronových prášků se speciálními pojivy pomocí počítače s využitím modelování podle CAD metod z výkresů a digitalizovaných artefaktů. Technologie používá principu ink-jet počítačových tiskáren a tiskových hlav s vysokým rozlišením podle komplexity dílu. Přenos digitální informace z počítače se uskutečňuje ve formátu ".stl" pomocí všech dostupných médií. Integrální součástí technologie je slinování výrobku a jeho infiltrace kovem pro dosažení vysoké pevnosti a téměř 100% hustoty. Při tepelném zpracování dochází k vyhoření pojiva a slinutí kovových prášků na porézní strukturu, která se zpevňuje infiltrací kovu. [49] Ve vlastním provozu Rapid Prototyping a Rapid Manufacturing (Rapid Metal Production) užívá ProMetal prášky ze dvou typů korozivzdorných ocelí, austenitické oceli AISI 316 (05Cr17Ni12Mo3) a martenzitické oceli AISI 420 (20Cr13) k infiltraci bronzu. Rozměrová přesnost výrobků je ±0,13 mm s možností výroby průchozích otvorů průměru do 0, 2 mm.[49] Spolu s MIT (Massachusetts Institute of Technology) a divizí General Motors Powertrain připravil ProMetal program Advanced Technology Program na výrobu forem na vypěňované polystyrenové modely pro lití tvarově složitých automobilových hliníkových odlitků na "ztracenou pěnu" (lost foam). Technologie zkracuje výrobu forem a náklady na jejich výrobu o 50 %. Při výrobě forem na stroji R10 se dociluje rychlosti nanášení až 4100 cm 3.h -1.[49] ProMetal se rovněž podílí na programu PROFAST (Procurement Readiness Optimization Forging Advanced Systems), řízeném Advanced Technology Institute (ATI), jehož cílem je rychlá a levnější výroba zápustek pro malé série objemového tváření "near net shape" hliníkových slitin řady 2XXX (Al-Cu a Al-Cu-Mg) izotermálním kováním pro letecké aplikace. Zápustky jsou vyráběny z oceli 420 infiltrované 40 % bronzu.[49] Nejvyráběnějšími díly jsou proto formy pro vstřikování plastů s chladicími kanály, formy pro modely lost-foam, malosériové formy pro tlakové lití hliníku a zápustky pro kování hliníkových slitin.[49] Nejmenším zařízením dodávaným pro technologii 3D Printing je zařízení ProMetal R2 vyrábějící díly do velikosti (d x š x v) 190 x 190 x 150 mm; R4 vyrábí díly rozměrů 400 x 400 x 250 mm a R10 díly velké až 1000 x 500 x 250 mm o hmotnosti až 50 kg. Podle velikosti lze pracovní prostor zařízení využít k současné výrobě až tisíců i neidentických dílů v jednom nanášecím cyklu 48 h. Cena zařízení se pohybuje od USD u R2 do USD u R10. Pro výrobu se dodávají potřebné směsi prášků z kovových materiálů až po žárupevné slitiny, keramických materiálů a cermetů různého složení s patentovanými systémy pojiv. [49] Předností procesu je jeho téměř neomezená flexibilita, rychlost a schopnost přímé výroby funkčních dílů z CAD podkladů, výroba dílů s komplikovanou vnější a vnitřní geometrií obtížně vyrobitelných obráběcími procesy při vysoké přesnosti a reprodukovatelnosti výroby.[49]

35 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List Metoda vytavitelného modelu Metoda vytavitelného modelu neboli také lost wax nebo investment casting dnes zastává klíčovou pozici na poli moderních technologií lití kovů. Lze ji začlenit mezi technologie near-net-shape (produkty blízké hotovým výrobkům), kdy se přeměna materiálu realizuje na tvary a rozměry blízké hotovým výrobkům. Termín near-netshape nelze chápat jako prostředek k zajišťování přímé, účinné a ekonomické cestě k výrobě hotové součásti, ale rovněž jako úsporu drahých materiálů a energií.[53] Metoda vytavitelného lití patří mezi nejznámější technologie lití. Tato technologie je založena na existenci voskového modelu, který je základním modelem pro vytvoření keramické směsi. Tato směs po tepelném zpracování vytvoří skořepinový obal pro konečný kovový materiál. Výroba voskových modelů je zdlouhavá a vyžaduje často použít další technologie (například obrábění), neboť tvary mohou být velmi komplikované a přesné. Pomocí některých metod RP, např. zařízení firmy Solidscape (USA), dnes můžeme přímo vyrobit voskové modely za použití stejných nebo blízkých voskových materiálů. Použitím RP pro výrobu voskových modelů dosáhneme velkých finančních a časových úspor. Materiálů, kterými je možné nahradit voskové modely, se v oblasti RP nabízí více. Jednou z nejznámějších a používaných postupů je metoda firmy 3D Systems - QuickCast. [2] Obr.20 Schéma metody vytavitelného modelu [2]

36 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List DSPC - Direct shell production casting DSPC (Přímá výroba skořepiny pro lití) vytváří skutečné keramické formy na kovové odlitky přímo z 3-D CAD návrhů. Nejsou požadovány žádné modely. DSPC používá 3D tiskovou technologii na výrobu keramických licích forem za použití procesu vrstvu po vrstvě. [44] Keramické formy jsou vytvořeny ve vrstvách. Výrobní proces zahrnuje tři kroky na vrstvu. Za prvé, je keramický model skořepiny rozřezán na příčné průřezy keramické formy. Za druhé, je vrstva jemného prášku rozprostřena za pomoci mechanismu. Za třetí, multi-jet tisková hlava se pohybuje nad rozprostřeným práškem a vypouští pojivo do požadovaných míst, který odpovídá průrezu skořepinové formy.[44] Pojiva proniká do pórů mezi částicemi prášku a spojuje je spolu a vytváří pevnou strukturu. Jakmile je daný vrstva dokončena, je řez modelu keramické skořepiny snížen o jednu vrstvu a proces se opakuje, dokud se všechny vrstvy formy nejsou dokončeny. Forma DSPC je pak vyčištěna od nadbytečného prášku a může se do ní lít roztavený kov.[44] Forma DSPC může obsahovat vnitřní keramické jádro, vyrábějící duté kovové části. Prakticky jakýkoliv roztavený kov může být lit do forem DSPC. Automobilové díly již byly vyrobeny z hliníku, hořčíku, tvárné litiny a nerezové oceli. [44] S DSPC, výroba nástrojů (forem, modelů a jader) jsou odlévány jako čisté tvary nástrojů z vyzkoušených částí v souboru CAD. Toto nářadí je nyní vytvořeno pouze jednou, zaručující hladký a nákladově efektivní přechod od prvního článku část produkce. [44] Obr.21 Výrobek metody DSPC [45]

37 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List Nepřímé metody výroby formy QUICKCAST Tato technologie je velmi blízká metodě vytavitelného modelu při výrobě kovových dílů. Rozdíl oproti klasické technologii spočívá v zaformování stereolitografického modelu namísto voskového. Výhodou oproti klasickému postupu je možnost vyrábět velmi složité, tvarově komplikované součástky ve velmi krátké době. Výhoda této metody je výraznější při požadavku několika kusů. V opačném případě je dostupná jiná alternativa Rapid Tooling metod, která umožňuje výrobu několika tisíců kusů. QuickCast je vhodný pro výrobu jednoduchých i složitých kovových dílů rozličných tvarů. Přesnost modelu, který je vyroben na stereolitografu se pohybuje v setinách milimetru. [9] Díky těmto výhodám QuickCast našel uplatnění nejenom v mnoha průmyslových a spotřebních odvětvích, ale i v náročnějších oblastech. Důkazem tomu je i použití této technologie v oblasti náročné na přesnost, a to v medicíně. QuickCast se zde používá se při výrobě koleních a kyčelních náhrad. Podstata metody spočívá ve vyrobení matečného modelu přímo z 3D dat. Tato data potřebná pro výrobu stereolitografického modelu jsou získávána z CT lékařského tomografu, který do paměti ukládá matematický popis řezů pevné a měkké tkáně. Celý proces výroby náhrady je realizován ve velmi krátké době (maximálně 2-3 týdny). Metoda QuickCast je velmi výhodná pro kusovou až nízkosériovou produkci. Nevýhodou je poměrně vysoká cena modelu určená cenou pryskyřice a cenou vlastního softwaru. [9] Pro vytavitelné lití je možno také využít ABS tenkostěnné modely zhotovené metodou FDM. Dalším možným způsobem je vytvoření silikonové formy na základě RP modelu pro opakované zhotovení voskových modelů použitelných pro vytavitelné lití. [2] Silicon Rubber Tooling Toto je standardní metoda výroby malého množství polymerních dílů. Žádná model vyrobený pomocí rychlého prototypování nemůže být použit jako model pro tuto metodu. Tyto nástroje vyrobené touto metodou mohou být použity k tvorbě malých a středních množství dílů v široké škále materiálu jako polyuretan, epoxid nebo jiných polymerů. Některé z těchto polymerů mají vlastnosti, které napodobují částečně technické termoplasty, a to je možnost dosáhnout jimi požadované pevnosti. Tato metoda nevyrábí části, která jsou shodná se vstřikovanými částimi, protože podmínky pro výrobu nejsou stejné. Vstřikované části mohou mít funkčně důležité anizotropní mechanické vlastnosti, které jsou závislé na tom, jak materiál proudí ve formě a ochlazuje se. Nicméně, silikonové pryže nástroje (silicon rubber tooling) jsou levné, nabízí dobrou přesnost a provedení, a vyrobených dílů jsou často dostatečné pro prototypy nebo malé série. Materiály jsou často používány v přirozeném stavu, ale natření a dalšími sekundárními operacemi můžeme v konečném výsledku docílit velmi a traktivní vzhled součásti.[50] Silikonové nástroje mohou být obvykle použity jako formy pro několik součástí, než bude nezbytné, aby se nahradily. Počet závisí na přesnosti a dokončovacích požadavcích a zvláštní geometrie produkované součásti. Je možné vyrobit mnoho

38 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 38 desítek jednoduchých součástí z jediné formy ze silikonového kaučuku, ale deset až dvacet kusů, v případě, že součásti jsou složitější. Opotřebení formy dochází v důsledku exotermické a reaktivní povaze polymerů, a vzhledem k mechanické deformaci během vyjímaní součásti z formy. To může být často nezbytné nahradit model vytvořený metodu rychlého prototypování také, v závislosti na počtu forem, ketré mají být provedeny s podobnou přesností a geometrií.[50] Tento proces se uskuteční tak, že se vytvořený model metodou rychlého prototypování umístí do rámu, většinou vyrobeného ze dřeva. Vzor se obvykle musí nechat projít sekundárními operacemi, aby se dosáhl požadovaný stav a přesnost provedení, než je použit. Silikonového kaučuku pokojové teplotě vulkanizační (Silicone rubber room temperature vulcanizing)(rtv) formovací směs je pak nalita kolem modelu. Může být nezbytné zajistit vakuum, aby se vytáhly všechny vzduchové bubliny z pryže a zajistila se přesnost modelu. Jakmile guma ztuhne, model je odstraněn a forma je připravena k použití. [50] Obr. 22 Popis metody Silicon rubber tooling [50]

39 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 39 Silikonové pryžové nástroje se nejčastěji používají v ručních slévárenských procesech, ale v posledních letech se objevilo více automatizovaných technologií. Takzvané reakční vstřikovací (RIM) systémy jsou schopny produkovat několik dílů za hodinu z gumových forem. Formy také vydrží déle, protože se snížila doba vystavení chemickým procesům. Řada dalších variant postupu jsou také k dispozici od jednotlivých prodejců.[50] Obr. 23 Rozdělení metod RP pro přesné lití [3] Porovnání časové náročnosti jednotlivých výrobních postupů Metody RP jsou využívány ve slévárnách ke snížení časové náročnosti výrobního procesu. Porovnání výrobních časů vůči klasické technologii lití na vytavitelný model s přímou a nepřímou výrobou formy a výrobou modelu pro odlitek můžeme porovnat na následujících obrázcích. Obr. 24 Časová náročnost lití na vytavitelný model [3]

40 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 40 Obr. 25 Časová náročnost přímých metod výroby formy a modelu [3] Obr. 26 Časová náročnost nepřímých metod výroby formy [3] Výrobní časy jednotlivých metod RP jsou o dost kratší než u tradičního postupu lití na vytavitelný model. Rozdíly výrobních časů mezi jednotlivými metodami RP, ať už jde o přímou či nepřímou výrobu, již nejsou, tak velké. Proto již záleží na slévárnách jaká technologie je pro ně vhodná a cenově zajímavá. Na výběr je mnoho druhů technologií, které mají velmi široký rozsah použití.

41 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List Metoda vypařitelného modelu Lost Foam Metoda odlévání na spalitelný model (Lost Foam) patří mezi moderní slévárenské technologie. Její vývoj začal kolem roku 1960 a praktické uplatnění si našla zvláště při sériové výrobě tvarově složitých tenkostěnný odlitků z litiny a hliníkových slitin.[54] Při této metodě se odlévá do formy v níž je v místě budoucího odlitku umístěn polysterénový spalitelný model. Během lití se polystyrén před postupujícím kovem vypařuje a tak vytváří dutinu budoucího odlitku. Z polystyrénu je vytvořen nejen vlastní model, ale i části vtokové části a nálitky. Tento komplet je opatřen vrstvou žáruvzdorného nátěru a zasypán v kovovém kontejneru suchým pískem bez jakéhokoliv pojiva. Po ztuhnutí se odlitek i se zásypem z kontejneru vyklopí a písek se na roštovém dopravníku oddělí od surového odlitku.[54] Výchozí surovinou pro zhotovení modelu je surový polystyrén se zrnitostí kuliček 0,2-0,4 mm. Tato surovina obsahuje vázaný pentan, který se teplem uvolňuje a působí jako nadouvadlo. První výrobní etapou je předzpěnování. Dochází k němu tak, že v předzpěnovacím zařízení se za stálého míchání surový polystyrén ohřívá přehřátou párou s teplotou C. Při tom se uvolní asi polovina pentanu, který způsobí asi 30 násobnou expanzi polystyrenu. Po dosažení požadované expanze se kuličky polystyrenu chladí a suší foukáním studeného vzduchu. Získává se tak základní surovina pro výrobu spalitelných modelů. Předzpěněný polystyrén se pak pneumaticky dopravuje do textilních sil, v nichž dochází z jeho zrání a stabilizaci.pro výrobu modelů se používá kovových forem. Formy jsou zhotoveny obráběním z kovových slitin a jsou velmi drahé. Forma je namontována v rámu vypěňovacího stroje. Pohyb jednotlivých dílů je řízen hydraulickými válci. Dutina formy se pomocí injektorů vyplní kuličkami předzpěněného polystyrenu. Systémem průduchů se do dutiny formy přivádí pára s teplotou C. Dochází k měkknutí a vlivem uvolňování zbývajícího nadouvadla k expanzi kuliček polystyrenu, které se v uzavřené dutině formy pevně svaří. Expanze se ukončí tak, že se uzavře přívod páry a forma se z rubové strany intenzivně chladí studenou vodou. Následuje vakuování dutiny formy, při kterém se odstraní zkondenzovaná voda. Forma se rozebere a hotový model se vyjme. Modely se dále suší proudem vzduchu při teplotách C, takto zhotovené modely se mohou po určitou dobu skladovat. K modelu jsou dále připojeny žebra, výstupky a vtoková soustava. Zkompletované modely se opatřují žáruvzdornou ochranou vrstvou máčením v aluminium silikátu. Dále se modely suší proudem vzduchu o teplotě 60 C. Model se položí do formy a postupně se zasypává pískem a pěchuje se. Při odlévání dochází k vypařování zpěněného polystyrenu před čelem proudu, používá se proto spodní vtok. Zpěněný polystyren prostupuje vrstvou nátěru a zásypovým materiálem a při styku se vzduchem nad formou shoří. [54]